[发明专利]随节奏自主舞蹈的人形机器人

权利要求书

1.一种随节奏起舞的人形机器人，该机器人的大脑设有音乐识别系统，其特征是所 述音乐识别系统为具有通用音乐节奏识别能力的嵌入式计算机系统，该计算机系统主要由 听觉子系统、节奏识别子系统和舞蹈动作组合子系统组成，其中：听觉子系统将外部播放 的音乐通过传感器获得，并转换为数字音乐信号，该数字音乐信号作为节奏识别子系统的 输入；节奏识别子系统对数字音乐信号进行处理，获得音乐的节奏和节拍特征，包括每分 钟节拍数和节拍开始时间；舞蹈动作组合子系统根据节奏识别子系统得到的节奏特征，自 主进行舞蹈组合；这三个子系统以流水线的形式并行处理，使该机器人随节奏自主起舞；

所述节奏识别子系统主要由带通滤波器组、波形校正模块、节奏提取部件组成，其中： 输入的数字音乐信号经过带通滤波器组分解为多个频段的数字音乐，然后每个频段的数字 音乐分量作为输入连接到波形校正模块，该模块对信号顺序进行波包提取、差分计算和半 波校正操作，得到校正后的数字音乐；校正后的数字音乐作为节奏提取部件的输入，经过 一组梳状滤波器组进行处理，再进行能量求和，根据共振原理，能量最大值所对应的梳状 滤波器的频率即为原始音乐的节拍周期，从而求得节拍信息；所述带通滤波器是六阶椭圆 型滤波器，其将输入的数字音乐信号分解为涵盖常用的6个八度的频段的数字音乐。

2.根据权利要求1所述的人形机器人，其特征在于：波形校正模块是将带通滤波器输 出的平方作为输入，并存储到状态数组中，每隔一个欠采样的周期，将状态数组信息与半 汉宁窗做循环卷积运算，进行波形校正，然后输出波包，该波包为校正后的数字音乐，之 后，对波包进行差分、半波校验，作为下一步共鸣箱滤波器的输入，该滤波器为梳状滤波 器。

3.根据权利要求1所述的人形机器人，其特征在于：节奏提取部件采用共鸣箱的共振 原理计算音乐的节拍，共鸣箱个数为波包采样率×最大的延迟周期，该延迟周期具有最小 bpm的测试音乐对应的节拍周期，测试音乐bpm范围为60～180bpm，节拍周期为0.33～1s， 这些共鸣箱的延迟周期覆盖了这些音乐的节拍周期，所有的共鸣箱使用相同的半能量时 间；校验后的波包输入到共鸣箱滤波器中进行计算，每隔一帧时间进行一次对共鸣箱状态 信息的提取，分别计算所有共鸣箱的能量，能量最大者的延迟周期即为音乐的周期。

4.根据权利要求3所述的人形机器人，其特征在于所述一帧时间必须小于最小节拍周 期。

5.根据权利要求1所述的人形机器人，其特征在于机器人听觉子系统主要由录音模块、 录音与处理同步模块组成，其中：

录音模块中面向声卡驱动编程，录音流程主要包括以下几个步骤：测试声卡是否正常工作；

打开声卡设备，设置设备的各个参数，这些参数为采样频率、声道数、量化位数、编码方 式；从声卡设备中读入pcm编码数据到应用程序缓冲区；关闭设备；

录音与处理同步模块：使用DMA机制将UDA1341声卡芯片缓冲区的数据传输到嵌 入式计算机内存，该数据为A/D转换后的录音数据；在应用程序中，将录音部分作为单 独的一个线程，与处理线程同步执行；定义一个共享缓冲区，实现录音线程与处理线程的 通信。

6.根据权利要求5所述的人形机器人，其特征在于：为了避免同时读写共享缓冲区可 能出现的死锁，采用写先行策略，即处理线程在录音线程启动50毫秒后，再进行读操作

7.根据权利要求1所述的人形机器人，其特征在于舞蹈动作组合子系统采用以下方法 进行舞蹈组合：分析不同音乐的节奏特点和感情色彩，将音乐分类，为每一类的音乐编排 基本舞蹈动作单元；然后将动作单元的姿势数据按类别作为数据库存储；再将动作单元作 为组合动作的序列，将其按类别作为数据库存储；根据节奏识别的结果，机器人通过计算， 使用组合动作的序列生成与音乐节奏吻合的整套舞蹈动作。

8.根据权利要求7所述的人形机器人，其特征在于舞蹈动作组合子系统主要由动作设 计模块、动作单元库、组合动作库、舞蹈编排模块组成，其中：

动作设计模块：设有各类的基本舞蹈动作单元，各类的基本舞蹈动作单元之间没有重 复的动作单元，每一类别中的基本舞蹈动作单元代表了该类音乐的节奏特点和感情色彩， 机器人可以稳定地完成每一个动作单元；

动作单元库模块：设有机器人各个关节的参数和使用生成动作的程序，将上述动作单 元的姿势数据按类别作为数据库存储；

组合动作库模块：该模块通过分析各个动作单元之间的衔接连贯性和美观性，设计各 个动作单元的连接顺序，从动作单元库中读取对应的姿势数据，作为组合动作的序列，将 其按类别作为数据库存储，每个类别设计多种组合动作的序列，保证组合动作库的完备性；

舞蹈编排模块：该模块从节奏识别子系统得到信息后通过计算，使用同一类别的各种 组合动作的序列生成与音乐吻合的一套舞蹈动作；不同节奏的音乐，编排的舞蹈动作不同， 动作单元不属于同一类别时表达的感情色彩均不同；同一节奏的音乐，编排的舞蹈动作不 同，动作单元属于同一类别时表达的感情色彩均相同。